Centrum Badań Energii Słonecznej i Wodoru Baden-Wirtembergii przedstawiło nowatorskie anody krzemowe bazujące na elastycznych włóknach. Ich zdaniem to rozwiązanie może podnieść gęstość energii w akumulatorach litowo-jonowych nawet o 250 procent. Gdyby udało się wdrożyć tę technologię, mogłaby ona znacząco wpłynąć nie tylko na rynek motoryzacyjny, ale także na elektronikę użytkową i systemy magazynowania energii ze źródeł odnawialnych.
Akumulatory trudno ulepszyć, ale prace ciągle trwają
Przyzwyczailiśmy się już do tego, że realny postęp w świecie akumulatorów wygląda jak powolne przesuwanie suwaka, a nie spektakularny skok możliwości z dnia na dzień. Co roku słyszymy o kilkuprocentowych poprawkach w zakresie pojemności, odrobinę szybszym ładowaniu czy minimalnie wyższej sprawności. Dla producentów smartfonów czy samochodów elektrycznych oznacza to ciągłe żonglowanie kompromisami między zasięgiem, masą, kosztami i bezpieczeństwem. Z kolei dla nas, użytkowników oznacza to regularne wizyty przy ładowarce i widok procentów topniejących szybciej, niż byśmy sobie tego życzyli.
Czytaj też: Zszedł w głębiny, a Chiny dostały skarb. Głębinowe górnictwo to już nie marzenia
Jednocześnie od lat wiadomo, że w obecnych ogniwach litowo jonowych tkwi ukryta rezerwa, której grafit zwyczajnie nie jest w stanie wykorzystać. Teoretyczne modele od dawna pokazują, że krzem mógłby dać akumulatorom nowe życie, ale w praktyce każdy kolejny prototyp kończył z tym samym problemem – szybko rozpadał się pod wpływem pracy. Zderzenie świetnych parametrów na papierze z brutalną rzeczywistością cykli ładowania i rozładowania sprawiło, że krzem traktowano raczej jak ciekawostkę naukową niż realnego kandydata do seryjnej produkcji.
Właśnie dlatego praca zespołu z Centrum Badań Energii Słonecznej i Wodoru Baden Wirtembergii jest czymś więcej niż kolejnym akademickim ćwiczeniem. Niemieccy badacze nie proponują egzotycznej chemii ani kolejnej, teoretycznie świetnej, a praktycznie trudnej do wyprodukowania receptury. Zamiast tego biorą na warsztat samą architekturę anody i proponują rozwiązanie, które ma pogodzić fizykę krzemu z wymaganiami przemysłowej linii produkcyjnej. Zamiast gonić za magicznym materiałem, próbują okiełznać ten, który znamy od dawna, ale dotąd nie umieliśmy go wykorzystać na masową skalę.
Krzem kontra grafit. Potencjał niewykorzystany od lat
Współczesne akumulatory litowo-jonowe wykorzystują grafit do budowy anod, czyli ujemnych elektrod. To sprawdzona technologia, która jednak ma swoje wyraźne ograniczenia. Grafit może zmagazynować około 370 miliamperogodzin litu na każdy gram materiału. Wynik ten robi wrażenie, dopóki nie porównamy go z teoretyczną pojemnością krzemu wynoszącą 4200 mAh na gram, co oznacza ponad dziesięciokrotnie większy potencjał.
Krzem ma dodatkową zaletę w postaci powszechnej dostępności i niższych kosztów pozyskania w porównaniu z wysokiej jakości grafitem. Przy zbliżonych nakładach na produkcję materiału, różnica w pojemności wydaje się przemawiać jednoznacznie na korzyść krzemu. Przez lata nie udało się jednak wdrożyć tego rozwiązania ze względu na fundamentalne problemy fizyczne.
Podczas procesu absorbowania litu krzem potrafi zwiększyć swoją objętość nawet o 300-400 procent. W praktyce prowadzi to do pękania materiału, odrywania się od podłoża i utraty kontaktu elektrycznego, co sprawia, że taki akumulator po zaledwie kilku cyklach ładowania przestaje funkcjonować. Do tego dochodzą jeszcze kwestie niskiej przewodności krzemu oraz powstawania niestabilnych warstw na granicy z elektrolitem. Jak więc niemieccy specjaliści naprawili ten problem?
Włókna zamiast sztywnych powłok w akumulatorach
Niemieccy naukowcy zaangażowani w projekt FACILE przyjęli zupełnie inne podejście niż ich poprzednicy. Zamiast nakładać krzem na sztywne powłoki metalowe, zaprojektowali anody wykorzystujące elastyczne, przewodzące prąd włókna nietkane. Jest to pierwsze takie rozwiązanie w historii rozwoju akumulatorów litowo-jonowych, a sama elastyczna struktura ma kompensować ekstremalne zmiany objętości zachodzące w krzemie podczas ładowania i rozładowywania. Włókna mogą się rozciągać i kurczyć wraz z materiałem, utrzymując przy tym nieprzerwany kontakt elektryczny. Chociaż taka koncepcja wydaje się prosta, to jej realizacja wymagała opracowania zupełnie nowych procesów produkcyjnych i materiałów podłoża.
Zespół badawczy stawia sobie za cel osiągnięcie praktycznej pojemności na poziomie co najmniej 1000 mAh na gram. To wciąż znacznie mniej niż teoretyczne maksimum krzemu, ale wystarczająco dużo, żeby zwiększyć rzeczywistą gęstość energii anody o obiecane 250 procent. W praktyce oznaczałoby to akumulatory o identycznej pojemności, ale jednocześnie znacznie lżejsze i mniejsze, a szanse na to są większe, niż możemy przypuszczać. Projekt FACILE, który rozpoczął się w lipcu 2025 roku i potrwa do czerwca 2027, otrzymał bowiem finansowanie w wysokości 1,28 miliona euro od rządu Badenii-Wirtembergii, a naukowcy już zintegrowali nowe anody w małych ogniwach testowych i rozpoczęli badania ich wydajności. Teraz jest przed nimi trudniejsze zadanie, bo przeskalowanie produkcji do poziomu przemysłowego.